電路噪聲

對于電子線路中所標稱的噪聲，可以概括地認為，它是對目的信號以外的所有信號的一個總稱。
 
最初人們把造成收音機這類音響設備所發出噪聲的那些電子信號，稱為噪聲。但是，一些非目的的電子信號對電子線路造成的后果并非都和聲音有關，因而，后來人們逐步擴大了噪聲概念。

例如，把造成視屏幕有白班呀條紋的那些電子信號也稱為噪聲。可能以說，電路中除目的的信號以外的一切信號，不管它對電路是否造成影響，都可稱為噪聲。
 
例如，電源電壓中的紋波或自激振蕩，可對電路造成不良影響，使音響裝置發出交流聲或導致電路誤動作，但有時也許并不導致上述后果。對于這種紋波或振蕩，都應稱為電路的一種噪聲。又有某一頻率的無線電波信號，對需要接收這種信號的接收機來講，它是正常的目的信號，而對另一接收機它就是一種非目的信號，即是噪聲。
 
在電子學中常使用干擾這個術語，有時會與噪聲的概念相混淆，其實，是有區別的。噪聲是一種電子信號，而干擾是指的某種效應，是由于噪聲原因對電路造成的一種不良反應。而電路中存在著噪聲，卻不一定就有干擾。在數字電路中。往往可以用示波器觀察到在正常的脈沖信號上混有一些小的尖峰脈沖是所不期望的，而是一種噪聲。但由于電路特性關系，這些小尖峰脈沖還不致于使數字電路的邏輯受到影響而發生混亂，所以可以認為是沒有干擾。

當一個噪聲電壓大到足以使電路受到干擾時，該噪聲電壓就稱為干擾電壓。而一個電路或一個器件，當它還能保持正常工作時所加的最大噪聲電壓，稱為該電路或器件的抗干擾容限或抗擾度。一般說來，噪聲很難消除，但可以設法降低噪聲的強度或提高電路的抗擾度，以使噪聲不致于形成干擾。
 
電子電路中噪聲的產生如何抑制？

這個東西主要是由于電路中的數字電路和電源部分產生的。在數字電路中，普遍存在高頻的數字電平，這些電平可以產生兩種噪聲：
 
1、電磁輻射，就像電視的天線一樣，通過發射電磁波來干擾旁邊的電路，也就是你說的噪聲。
 
2、耦合噪聲，指數字電路和旁邊的電路存在一定的耦合，噪聲可以直接在電器上直接影響其他的電路，這種噪聲更厲害。
 
電源上存在的噪聲：如果是線性電源，首先低頻的50Hz就是一個嚴重的干擾源。由于初級進來的交流電本身就不純凈，而且是波浪的正弦波，容易對旁邊的電路產生電磁干擾，也就是電磁噪聲。如果是開關電源的話噪聲更嚴重，開關電源工作在高頻狀態，并且在輸出部分存在很臟的諧波電壓，這些對整個的電路都能產生很大的噪聲。
 
防止方法：合理地接地、采用差分結構傳輸模擬信號、在電路的電源輸出端加去耦電容、采用電磁屏蔽技術、模擬數字地分開、信號線兩邊走底線、地線隔離等等。其實我說的這些在去除噪聲的方面只是冰山一角，就算是玩了30年電子的人也不會完全掌握所有的這類技術，因為理解掌握這類東西需要很強的技術基礎和相當豐富的經驗，不過我告訴你的這些在大體上已經足夠了。
 
本底噪聲是由電路本身引起的，由于電源的不純凈，電路的相位裕度和增益裕度不合適等等電路本身和器件的原因。這部分需要在電路設計時進行改進。
 
其他噪聲是由于電路布局布線不合理等等認為因素，電磁兼容，導線間干擾等等。
 
模擬電路噪聲的消除更多地依賴于經驗而非科學依據。設計人員經常遇到的情況是電路的模擬硬件部分設計出來以后，卻發現電路中的噪聲太大，而不得不重新進行設計和布線。這種“試試看”的設計方法在幾經周折之后最終也能獲得成功。不過，避免噪聲問題的更好方法是在設計初期進行決策時就遵循一些基本的設計準則，并運用與噪聲相關的基本原理等知識。
 
低噪聲前置放大器電路的設計方法

前置放大器在音頻系統中的作用至關重要。本文首先講解了在為家庭音響系統或PDA設計前置放大器時，工程師應如何恰當選取元件。隨后，詳盡分析了噪聲的來源，為設計低噪聲前置放大器提供了指導方針。最后，以PDA麥克風的前置放大器為例，列舉了設計步驟及相關注意事項。
 
前置放大器是指置于信源與放大器級之間的電路或電子設備，例如置于光盤播放機與高級音響系統功率放大器之間的音頻前置放大器。前置放大器是專為接收來自信源的微弱電壓信號而設計的，已接收的信號先以較小的增益放大，有時甚至在傳送到功率放大器級之前便先行加以調節或修正，如音頻前置放大器可先將信號加以均衡及進行音調控制。無論為家庭音響系統還是PDA設計前置放大器，都要面對一個十分頭疼的問題，即究竟應該采用哪些元件才恰當？
 
元件選擇原則

由于運算放大器集成電路體積小巧、性能卓越，因此目前許多前置放大器都采用這類運算放大器芯片。我們為音響系統設計前置放大器電路時，必須清楚知道如何為運算放大器選定適當的技術規格。在設計過程中，系統設計工程師經常會面臨以下問題。
 
1、是否有必要采用高精度的運算放大器？

輸入信號電平振幅可能會超過運算放大器的錯誤容限，這并非運算放大器所能接受。若輸入信號或共模電壓太微弱，設計師應該采用補償電壓(Vos)極低而共模抑制比(CMRR)極高的高精度運算放大器。是否采用高精度運算放大器取決于系統設計需要達到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用較高準確度的運算放大器。
 
2、運算放大器需要什么樣的供電電壓？

這個問題要看輸入信號的動態電壓范圍、系統整體供電電壓大小以及輸出要求才可決定，但不同電源的不同電源抑制比(PSRR)會影響運算放大器的準確性，其中以采用電池供電的系統所受影響最大。此外，功耗大小也與內部電路的靜態電流及供電電壓有直接的關系。
 
3、輸出電壓是否需要滿擺幅？

低供電電壓設計通常都需要滿擺幅的輸出，以便充分利用整個動態電壓范圍，以擴大輸出信號擺幅。至于滿擺幅輸入的問題，運算放大器電路的配置會有自己的解決辦法。由于前置放大器一般都采用反相或非反相放大器配置，因此輸入無需滿擺幅，原因是共模電壓(Vcm)永遠小于輸出范圍或等于零(只有極少例外，例如設有浮動接地的單供電電壓運算放大器)。
 
4、增益帶寬的問題是否更令人憂慮？

是的，尤其是對于音頻前置放大器來說，這是一個非常令人憂慮的問題。由于人類聽覺只能察覺大約由20Hz至20kHz頻率范圍的聲音，因此部分工程師設計音頻系統時會忽略或輕視這個“范圍較窄”的帶寬。事實上，體現音頻器件性能的重要技術參數如低總諧波失真(THD)、快速轉換率(slewrate)以及低噪聲等都是高增益帶寬放大器所必須具備的條件。
 
深入了解噪聲

在設計低噪聲前置放大器之前，工程師必須仔細審視源自放大器的噪聲，一般來說，運算放大器的噪聲主要來自四個方面：

1、熱噪聲(Johnson)：由于電導體內電流的電子能量不規則波動產生的具有寬帶特性的熱噪聲，其電壓均方根值的正方與帶寬、電導體電阻及絕對溫度有直接的關系。對于電阻及晶體管(例如雙極及場效應晶體管)來說，由于其電阻值并非為零，因此這類噪聲影響不能忽視。

2、閃爍噪聲(低頻)：由于晶體表面不斷產生或整合載流子而產生的噪聲。在低頻范圍內，這類閃爍以低頻噪聲的形態出現，一旦進入高頻范圍，這些噪聲便會變成“白噪聲”。閃爍噪聲大多集中在低頻范圍，對電阻器及半導體會造成干擾，而雙極芯片所受的干擾比場效應晶體管大。

3、射擊噪聲(肖特基)：肖特基噪聲由半導體內具有粒子特性的電流載流子所產生，其電流的均方根值正方與芯片的平均偏壓電流及帶寬有直接的關系。這種噪聲具有寬帶的特性。

4、爆玉米噪聲(popcornfrequency)：半導體的表面若受到污染便會產生這種噪聲，其影響長達幾毫秒至幾秒，噪聲產生的原因仍然未明，在正常情況下，并無一定的模式。生產半導體時若采用較為潔凈的工藝，會有助減少這類噪聲。
此外，由于不同運算放大器的輸入級采用不同的結構，因此晶體管結構上的差異令不同放大器的噪聲量也大不相同。下面是兩個具體例子。
 
雙極輸入運算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由電阻的熱噪聲以及輸入基極電流的高頻區射擊噪聲所造成，低頻噪聲電平大小取決于流入電阻的輸入晶體管基極電流產生的低頻噪聲；噪聲電流主要由輸入基極電流的射擊噪聲及電阻的低頻噪聲所產生。
 
CMOS輸入運算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由高頻區通道電阻的熱噪聲及低頻區的低頻噪聲所造成，CMOS放大器的轉角頻率(cornerfrequency)比雙極放大器高，而寬帶噪聲也遠比雙極放大器高；噪聲電流主要由輸入門極漏電的射擊噪聲所產生，CMOS放大器的噪聲電流遠比雙極放大器低，但溫度每升高10(C，其噪聲電流便會增加約40%。

工程師必須深入了解噪聲問題及進行大量計算，才可將這些噪聲化為數字準確表達出來。為了避免將問題復雜化，這里只選用音頻技術規格最關鍵的幾個參數。

上述方程式中的S及N均為功率。
 
PDA麥克風前置放大器電路

在這里我們討論一下如何設計一款適合PDA采用的麥克風前置放大器，正如上文所述，我們必須明白信源是輸入前置放大器的信號。首先，我們必須知道以下信息：
計劃采用的麥克風類型
麥克風輸出信號電平
麥克風阻抗及指定阻抗的頻率
增益規定，有關增益可能受運算放大器的增益帶寬積所限制
輸入信號頻率范圍
噪聲規定
例如某種陶瓷麥克風的技術規格如下：
阻抗：2.2k((以1kHz的頻率操作)
輸出信號：200(Vpp
音頻輸入頻率范圍：100Hz至4kHz
熱噪聲：2nV/(Hz前置放大器的增益指標：500(非反相)，第一級可達5倍增益，第二級可達100倍增益。
 
我們引用公式1：
 
 
等量輸入噪聲(EIN)＝輸入參照噪聲總量()×輸入頻率范圍


輸出噪聲=等量輸入噪聲×增益=545.81nV×5=2.73uV(適用于1級增益)或545.81nV×100=54.58uV(適用于2級增益)。

兩個放大級的輸出噪聲總量


1伏輸出電壓的信噪比電平=20×log(1V÷54.58uV)≈85.3dB
電路輸出噪聲總量大約是每一噪聲源均方根的平均均方值總和的平方根，此外輸出噪聲通常絕大部分來自噪聲量最大的信源。實際電路如圖2所示。

圖2MIC前置放大器電路圖

請注意，這款電路只適用于單電源供電的設計，其中輸入及輸出電容器(C1及C4)只是選項，工程師可根據實際情況考慮選用。適用與否取決于用戶系統的輸入與輸出如何連接。若麥克風輸出設有直流補償，那么便需要增設C1輸入電容器，以便阻塞直流電信號。輸出電容器也可發揮相同的作用。
 
目前市場上出售的麥克風大部分以2k(左右的高阻抗麥克風以及只有幾百(的低阻抗麥克風為主，這兩類麥克風都可采用上述前置放大器設計。高阻抗高輸出麥克風前置放大器較為簡單，可以采用非反相或反相放大器配置。由于其頻率響應較為平坦，因此無需特別加以均衡，而且輸入電平較大，放大器對噪聲的要求很低，但高阻抗麥克風對來歷不明的噪聲及磁場極為敏感。低阻抗低輸出麥克風前置放大器也可采用非反相或反相放大器將輸入信號放大，頻率響應及均衡等方面的要求都與高阻抗高輸出的前置放大器大致相同。如果麥克風的輸出電平較低，工程師必須注意選用低噪聲的運算放大器。如性能較好的低噪聲運算放大器應該產生較低的輸入參照電壓噪聲，而且噪聲不應超過10nV/((Hz)。
 
運算放大器電路中固有噪聲的分析與測量

我們可將噪聲定義為電子系統中任何不需要的信號。噪聲會導致音頻信號質量下降以及精確測量方面的錯誤。板級與系統級電子設計工程師希望能確定其設計方案在最差條件下的噪聲到底有多大，并找到降低噪聲的方法以及準確確認其設計方案可行性的測量技術。
 
噪聲包括固有噪聲及外部噪聲，這兩種基本類型的噪聲均會影響電子電路的性能。外部噪聲來自外部噪聲源，典型例子包括數字交換、60Hz噪聲以及電源交換等。固有噪聲由電路元件本身生成，最常見的例子包括寬帶噪聲、熱噪聲以及閃爍噪聲等。本系列文章將介紹如何通過計算來預測電路的固有噪聲大小，如何采用SPICE模擬技術，以及噪聲測量技術等。